Φυσικοχημεία. Φυσική και κολλοειδής χημεία Παραδείγματα συστημάτων στο μάθημα φυσική χημεία
Η φυσική χημεία ξεκίνησε στα μέσα του 18ου αιώνα. Ο όρος «Φυσική Χημεία», στη σύγχρονη αντίληψη της μεθοδολογίας της επιστήμης και των θεμάτων της θεωρίας της γνώσης, ανήκει στον M. V. Lomonosov, ο οποίος για πρώτη φορά διάβασε το «Μάθημα Αληθινής Φυσικοχημείας» σε φοιτητές του Πανεπιστημίου της Αγίας Πετρούπολης. . Στο προοίμιο αυτών των διαλέξεων, δίνει τον ακόλουθο ορισμό: «Η φυσική χημεία είναι μια επιστήμη που, βάσει φυσικών αρχών και πειραμάτων, πρέπει να εξηγήσει τον λόγο για το τι συμβαίνει μέσω χημικών ενεργειών σε πολύπλοκα σώματα». Ο επιστήμονας, στα έργα της σωματοκινητικής θεωρίας του για τη θερμότητα, ασχολείται με θέματα που ανταποκρίνονται πλήρως στις παραπάνω εργασίες και μεθόδους. Αυτή ακριβώς είναι η φύση των πειραματικών ενεργειών που χρησιμεύουν για την επιβεβαίωση μεμονωμένων υποθέσεων και διατάξεων αυτής της έννοιας. Ο M.V. Lomonosov ακολούθησε τέτοιες αρχές σε πολλούς τομείς της έρευνάς του: στην ανάπτυξη και την πρακτική εφαρμογή της «επιστήμης του γυαλιού», την οποία ίδρυσε, σε διάφορα πειράματα αφιερωμένα στην επιβεβαίωση του νόμου της διατήρησης της ύλης και της δύναμης (κίνηση). - σε εργασίες και πειράματα που σχετίζονται με τη μελέτη λύσεων - ανέπτυξε ένα εκτενές πρόγραμμα έρευνας για αυτό το φυσικό και χημικό φαινόμενο, το οποίο βρίσκεται σε διαδικασία ανάπτυξης μέχρι σήμερα.
Ακολούθησε ένα διάλειμμα περισσότερο από έναν αιώνα, και ο D.I Mendeleev ήταν ένας από τους πρώτους στη Ρωσία που ξεκίνησε τη φυσική και χημική έρευνα στα τέλη της δεκαετίας του 1850.
Το επόμενο μάθημα στη φυσική χημεία δίδαξε ο N. N. Beketov στο Πανεπιστήμιο του Χάρκοβοτο 1865.
Το πρώτο τμήμα φυσικής χημείας στη Ρωσία άνοιξε το 1914 στη Φυσικομαθηματική Σχολή του Πανεπιστημίου της Αγίας Πετρούπολης, το φθινόπωρο άρχισε να διδάσκει ένα υποχρεωτικό μάθημα και πρακτικά μαθήματαστη φυσική χημεία, μαθητής των D. P. Konovalov, M. S. Vrevsky.
Πρώτα επιστημονικό περιοδικό, που προορίζεται για τη δημοσίευση άρθρων για τη φυσική χημεία, ιδρύθηκε το 1887 από τους W. Ostwald και J. van't Hoff.
Αντικείμενο μελέτης φυσικής χημείας
Η φυσική χημεία είναι η κύρια θεωρητική βάση σύγχρονη χημεία, χρησιμοποιώντας θεωρητικές μεθόδους σημαντικών κλάδων της φυσικής όπως η κβαντική μηχανική, η στατιστική φυσική και η θερμοδυναμική, η μη γραμμική δυναμική, η θεωρία πεδίου κ.λπ. Περιλαμβάνει τη μελέτη της δομής της ύλης, συμπεριλαμβανομένων: της δομής των μορίων, της χημικής θερμοδυναμικής, της χημικής κινητικής και κατάλυση. Ως ξεχωριστές ενότητες στη φυσική χημεία, διακρίνονται επίσης η ηλεκτροχημεία, η φωτοχημεία, η φυσική χημεία των επιφανειακών φαινομένων (συμπεριλαμβανομένης της προσρόφησης), η χημεία της ακτινοβολίας, η μελέτη της διάβρωσης μετάλλων, η φυσική χημεία των υψηλομοριακών ενώσεων (βλ. φυσική πολυμερών) κ.λπ σχετίζονται πολύ στενά με τη φυσική χημεία και μερικές φορές θεωρούνται ως ανεξάρτητες ενότητες της κολλοειδής χημεία, φυσική και χημική ανάλυση και κβαντική χημεία. Οι περισσότεροι κλάδοι της φυσικής χημείας έχουν αρκετά σαφή όρια όσον αφορά τα αντικείμενα και τις μεθόδους έρευνας, τα μεθοδολογικά χαρακτηριστικά και τις συσκευές που χρησιμοποιούνται.
Διαφορά μεταξύ φυσικής χημείας και χημικής φυσικής
Η μοριακή ικανότητα μιας στοιχειώδους αντίδρασης είναι ο αριθμός των σωματιδίων που, σύμφωνα με τον πειραματικά καθιερωμένο μηχανισμό αντίδρασης, συμμετέχουν στη στοιχειώδη πράξη της χημικής αλληλεπίδρασης. Μονομοριακές αντιδράσεις- αντιδράσεις στις οποίες συμβαίνει χημικός μετασχηματισμός ενός μορίου (ισομερισμός, διάσταση κ.λπ.): H 2 S → H 2 + S Διμοριακές αντιδράσεις- αντιδράσεις, η στοιχειώδης πράξη των οποίων συμβαίνει όταν δύο σωματίδια (πανομοιότυπα ή διαφορετικά) συγκρούονται: CH 3 Br + KOH → CH 3 OH + KBr Τριμοριακές αντιδράσεις- αντιδράσεις, η στοιχειώδης πράξη των οποίων συμβαίνει όταν συγκρούονται τρία σωματίδια: О 2 + ΟΧΙ + ΟΧΙ → 2ΟΧΙ 2 Αντιδράσεις με μοριακότητες μεγαλύτερες από τρεις είναι άγνωστες. Για στοιχειώδεις αντιδράσεις που πραγματοποιούνται σε παρόμοιες συγκεντρώσεις αρχικών ουσιών, οι τιμές της μοριακής ικανότητας και της σειράς αντίδρασης είναι οι ίδιες. Δεν υπάρχει ξεκάθαρα καθορισμένη σχέση μεταξύ των εννοιών της μοριακής ικανότητας και της σειράς αντίδρασης, αφού η σειρά αντίδρασης χαρακτηρίζει την κινητική εξίσωση της αντίδρασης και η μοριακότητα χαρακτηρίζει τον μηχανισμό αντίδρασης. Οι κύριες κατευθύνσεις της χημικής θερμοδυναμικής είναι:
Η χημική θερμοδυναμική σχετίζεται στενά με κλάδους της χημείας όπως
Φυσικοχημική ανάλυσηΗ θεωρία της φυσικής και χημικής ανάλυσης βασίζεται στις αρχές της αντιστοιχίας και της συνέχειας που διατύπωσε ο N. S. Kurnakov. Η αρχή της συνέχειας δηλώνει ότι εάν δεν σχηματιστούν νέες φάσεις σε ένα σύστημα ή οι υπάρχουσες δεν εξαφανιστούν, τότε με μια συνεχή αλλαγή στις παραμέτρους του συστήματος, οι ιδιότητες των μεμονωμένων φάσεων και οι ιδιότητες του συστήματος στο σύνολό του αλλάζουν συνεχώς. . Η αρχή της αντιστοιχίας δηλώνει ότι κάθε σύμπλεγμα φάσεων αντιστοιχεί σε μια συγκεκριμένη γεωμετρική εικόνα στο διάγραμμα σύνθεσης-ιδιότητας. Θεωρία αντιδραστικότητας χημικών ενώσεωνΗ χημεία υψηλής ενέργειας (HEC) μελετά τις χημικές αντιδράσεις και μετασχηματισμούς που συμβαίνουν στην ύλη υπό την επίδραση της μη θερμικής ενέργειας. Οι μηχανισμοί και οι κινητικές τέτοιων αντιδράσεων και μετασχηματισμών χαρακτηρίζονται από σημαντικά μη ισορροπημένες συγκεντρώσεις γρήγορων, διεγερμένων ή ιονισμένων σωματιδίων με ενέργεια μεγαλύτερη από την ενέργεια της θερμικής τους κίνησης και, σε ορισμένες περιπτώσεις, χημικούς δεσμούς. Φορείς μη θερμικής ενέργειας που δρουν στην ύλη: επιταχυνόμενα ηλεκτρόνια και ιόντα, γρήγορα και αργά νετρόνια, σωματίδια άλφα και βήτα, ποζιτρόνια, μιόνια, πιόνια, άτομα και μόρια σε υπερηχητικές ταχύτητες, κβάντα ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, καθώς και παλμική ηλεκτρική, μαγνητική και ακουστικά πεδία. Οι διεργασίες χημείας υψηλής ενέργειας διακρίνονται από χρονικά στάδια σε φυσικά, που συμβαίνουν σε femtoseconds ή λιγότερο, κατά τα οποία η μη θερμική ενέργεια κατανέμεται άνισα στο μέσο και σχηματίζεται ένα «hot spot», φυσικοχημικό, κατά το οποίο η ανισορροπία και η ανομοιογένεια στο εκδηλώνονται τα «καυτά σημεία» και, τέλος, τα χημικά, στα οποία οι μετασχηματισμοί της ύλης υπακούουν στους νόμους της γενικής χημείας. Ως αποτέλεσμα, ιόντα και διεγερμένες καταστάσεις ατόμων και μορίων σχηματίζονται σε θερμοκρασίες δωματίου που δεν μπορούν να προκύψουν λόγω διεργασιών ισορροπίας. Η εξωτερική εκδήλωση του CHE είναι ο σχηματισμός ιόντων και διεγερμένων καταστάσεων ατόμων και μορίων σε θερμοκρασίες δωματίου, στις οποίες αυτά τα σωματίδια δεν μπορούν να προκύψουν λόγω διεργασιών ισορροπίας. Ο N. E. Ablesimov διατύπωσε την αρχή της χαλάρωσης του ελέγχου των ιδιοτήτων των φυσικοχημικών συστημάτων που δεν βρίσκονται σε ισορροπία. Στην περίπτωση που οι χρόνοι χαλάρωσης είναι πολύ μεγαλύτεροι από τη διάρκεια της φυσικής πρόσκρουσης, είναι δυνατός ο έλεγχος της απόδοσης χημικές μορφές, φάσεις και, κατά συνέπεια, τις ιδιότητες των ουσιών (υλικών), χρησιμοποιώντας πληροφορίες για μηχανισμούς χαλάρωσης σε μη ισορροπημένα συμπυκνωμένα συστήματα στο φυσικοχημικό στάδιο των διεργασιών χαλάρωσης (συμπεριλαμβανομένης της λειτουργίας). Κύρια τμήματα του HVE
και άλλοι. Χημεία λέιζερΗλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (ακτίνες Χ, ακτινοβολία γ, ακτινοβολία σύγχροτρον) και ροές επιταχυνόμενων σωματιδίων (ηλεκτρόνια, πρωτόνια, νετρόνια, ήλινα, βαρέα ιόντα, θραύσματα σχάσης βαρέων πυρήνων κ.λπ.), η ενέργεια των οποίων υπερβαίνει το δυναμικό ιονισμού του άτομα ή μόρια (στις περισσότερες περιπτώσεις, που βρίσκονται στην περιοχή 10-15 eV). Η ακτινοχημεία εξετάζει ορισμένες χημικές διεργασίες που δεν είναι δυνατές χρησιμοποιώντας παραδοσιακές χημικές προσεγγίσεις. Η ιονίζουσα ακτινοβολία μπορεί να μειώσει σημαντικά τη θερμοκρασία των χημικών αντιδράσεων χωρίς τη χρήση καταλυτών και εκκινητών. Ιστορία της χημείας της ακτινοβολίας Η χημεία της ακτινοβολίας προέκυψε μετά την ανακάλυψη των ακτίνων Χ από τον W. Roentgen το 1895 και της ραδιενέργειας από τον A. Becquerel το 1896, οι οποίοι ήταν οι πρώτοι που παρατήρησαν τα αποτελέσματα της ακτινοβολίας σε φωτογραφικές πλάκες. Η πρώτη εργασία για τη χημεία της ακτινοβολίας πραγματοποιήθηκε το 1899-1903 από τους συζύγους M. Curie και P. Curie. Τα επόμενα χρόνια, ο μεγαλύτερος αριθμός μελετών αφιερώθηκε στη ραδιόλυση νερού και υδατικών διαλυμάτων. Πυρηνική χημείαΚύριοι τομείς της πυρηνικής χημείας:
ΗλεκτροχημείαΗ Ηλεκτροχημεία είναι ένας κλάδος της χημικής επιστήμης που εξετάζει συστήματα και όρια μεταξύ των φάσεων όταν τα ρέει ηλεκτρικό ρεύμα, μελετά διεργασίες σε αγωγούς, σε ηλεκτρόδια (από μέταλλα ή ημιαγωγούς, συμπεριλαμβανομένου του γραφίτη) και σε ιοντικούς αγωγούς (ηλεκτρολύτες). Η Ηλεκτροχημεία μελετά διαδικασίες |
Περιεχόμενα του άρθρου
ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΕΙΑ,κλάδος της χημείας που μελετά χημικές ιδιότητεςβασίζονται σε ουσίες φυσικές ιδιότητεςτα συστατικά τους άτομα και μόρια. Σύγχρονος φυσικοχημεία– ένα ευρύ διεπιστημονικό πεδίο που συνορεύει με διάφορους κλάδους της φυσικής, της βιοφυσικής και μοριακή βιολογία. Έχει πολλά σημεία επαφής με τέτοια τμήματα χημική επιστήμηόπως η οργανική και η ανόργανη χημεία.
Ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό της χημικής προσέγγισης (σε αντίθεση με τη φυσική και τη βιολογική) είναι ότι στο πλαίσιο της, μαζί με την περιγραφή των μακροσκοπικών φαινομένων, εξηγείται η φύση τους με βάση τις ιδιότητες των επιμέρους μορίων και τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους.
Νέες οργανικές και μεθοδολογικές εξελίξεις στον τομέα της φυσικής χημείας χρησιμοποιούνται σε άλλους κλάδους της χημείας και συναφών επιστημών, όπως η φαρμακολογία και η ιατρική. Τα παραδείγματα περιλαμβάνουν ηλεκτροχημικές μεθόδους, υπέρυθρη (IR) και υπεριώδης (UV) φασματοσκοπία, τεχνολογία λέιζερ και μαγνητικού συντονισμού, που χρησιμοποιούνται ευρέως στη θεραπεία και για τη διάγνωση διαφόρων ασθενειών.
Οι κύριοι κλάδοι της φυσικής χημείας θεωρούνται παραδοσιακά: 1) χημική θερμοδυναμική. 2) κινητική θεωρία και στατιστική θερμοδυναμική. 3) ερωτήσεις σχετικά με τη δομή των μορίων και τη φασματοσκοπία. 4) χημική κινητική.
Χημική θερμοδυναμική.
Η χημική θερμοδυναμική σχετίζεται άμεσα με την εφαρμογή της θερμοδυναμικής - της επιστήμης της θερμότητας και των μετασχηματισμών της - στο πρόβλημα της χημικής ισορροπίας. Η ουσία του προβλήματος διατυπώνεται ως εξής: εάν υπάρχει ένα μείγμα αντιδραστηρίων (σύστημα) και είναι γνωστές οι φυσικές συνθήκες στις οποίες βρίσκεται (θερμοκρασία, πίεση, όγκος), τότε ποιες αυθόρμητες χημικές και φυσικές διεργασίες μπορούν να φέρουν αυτό το σύστημα στην ισορροπία; Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής λέει ότι η θερμότητα είναι μια μορφή ενέργειας και ότι η συνολική ενέργεια ενός συστήματος (μαζί με το περιβάλλον του) παραμένει σταθερή. Έτσι, αυτός ο νόμος είναι μια από τις μορφές του νόμου της διατήρησης της ενέργειας. Σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο, μια αυθόρμητη διαδικασία οδηγεί σε αύξηση της συνολικής εντροπίας του συστήματος και του περιβάλλοντος του. Η εντροπία είναι ένα μέτρο της ποσότητας ενέργειας που ένα σύστημα δεν μπορεί να δαπανήσει για να εκτελέσει χρήσιμη εργασία. Ο δεύτερος νόμος υποδεικνύει την κατεύθυνση προς την οποία θα πάει μια αντίδραση χωρίς εξωτερικές επιρροές. Για να αλλάξετε τη φύση μιας αντίδρασης (για παράδειγμα, την κατεύθυνση της), πρέπει να ξοδέψετε ενέργεια με τη μία ή την άλλη μορφή. Έτσι θέτει αυστηρά όρια στην ποσότητα της εργασίας που μπορεί να γίνει με τη μετατροπή της θερμότητας ή χημική ενέργεια, απελευθερώνεται με αναστρέψιμη διαδικασία.
Οφείλουμε σημαντικά επιτεύγματα στη χημική θερμοδυναμική στον J. Gibbs, ο οποίος έθεσε τα θεωρητικά θεμέλια αυτής της επιστήμης, η οποία κατέστησε δυνατό να συνδυαστούν σε ένα ενιαίο σύνολο τα αποτελέσματα που προέκυψαν από πολλούς ερευνητές της προηγούμενης γενιάς. Στο πλαίσιο της προσέγγισης που ανέπτυξε ο Gibbs, δεν γίνονται υποθέσεις για τη μικροσκοπική δομή της ύλης, αλλά λαμβάνονται υπόψη οι ιδιότητες ισορροπίας των συστημάτων σε μακροεπίπεδο. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο μπορούμε να σκεφτούμε ότι ο πρώτος και ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής είναι καθολικοί και θα παραμείνουν σε ισχύ ακόμη και όταν μαθαίνουμε πολύ περισσότερα για τις ιδιότητες των μορίων και των ατόμων.
Κινητική θεωρία και στατιστική θερμοδυναμική.
Η στατιστική θερμοδυναμική (όπως η κβαντομηχανική) μας επιτρέπει να προβλέψουμε τη θέση ισορροπίας για ορισμένες αντιδράσεις στην αέρια φάση. Χρησιμοποιώντας την κβαντομηχανική προσέγγιση, είναι δυνατό να περιγραφεί η συμπεριφορά σύνθετων μορίων ενός αριθμού ουσιών σε υγρή και στερεή κατάσταση. Ωστόσο, υπάρχουν αντιδράσεις των οποίων οι ρυθμοί δεν μπορούν να υπολογιστούν στο πλαίσιο του κινητική θεωρία, ούτε χρησιμοποιώντας στατιστική θερμοδυναμική.
Μια πραγματική επανάσταση στην κλασική στατιστική θερμοδυναμικήσυνέβη στη δεκαετία του '70 του 20ού αιώνα. Νέες έννοιες όπως η καθολικότητα (η ιδέα ότι τα μέλη ορισμένων ευρειών κατηγοριών ενώσεων έχουν τις ίδιες ιδιότητες) και η αρχή της ομοιότητας (η εκτίμηση άγνωστων ποσοτήτων με βάση γνωστά κριτήρια) επέτρεψαν την καλύτερη κατανόηση της συμπεριφοράς των υγρών κοντά στο κρίσιμο σημείο όπου η διαφορά μεταξύ υγρού και αερίου. Με χρήση υπολογιστή, προσομοιώθηκαν οι ιδιότητες απλών (υγρό αργό) και σύνθετων (νερό και αλκοόλ) υγρών σε κρίσιμη κατάσταση. Πιο πρόσφατα, οι ιδιότητες των υγρών όπως το υγρό ήλιο (η συμπεριφορά του οποίου περιγράφεται τέλεια στο πλαίσιο της κβαντομηχανικής) και τα ελεύθερα ηλεκτρόνια σε μοριακά υγρά έχουν μελετηθεί εκτενώς χρησιμοποιώντας υπολογιστική μοντελοποίηση ΥΠΕΡΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑ. Αυτό μας επέτρεψε να κατανοήσουμε καλύτερα τις ιδιότητες των συνηθισμένων υγρών. Οι μέθοδοι υπολογιστών σε συνδυασμό με τις τελευταίες θεωρητικές εξελίξεις χρησιμοποιούνται εντατικά για τη μελέτη της συμπεριφοράς διαλυμάτων, πολυμερών, μικκυλίων (ειδικά κολλοειδή σωματίδια), πρωτεϊνών και ιοντικά διαλύματα. Για την επίλυση προβλημάτων στη φυσική χημεία, ιδιαίτερα για την περιγραφή ορισμένων ιδιοτήτων συστημάτων σε κρίσιμη κατάσταση και τη μελέτη θεμάτων στη φυσική υψηλής ενέργειας, χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο μαθηματική μέθοδοςομάδα επανομαλοποίησης.
Μοριακή δομή και φασματοσκοπία.
Οργανικοί χημικοί του 19ου αιώνα. αναπτηγμένος απλούς κανόνεςπροσδιορισμός του σθένους (ικανότητα συνδυασμού) πολλών χημικά στοιχεία. Για παράδειγμα, βρήκαν ότι το σθένος του άνθρακα είναι 4 (ένα άτομο άνθρακα μπορεί να συνδέσει τέσσερα άτομα υδρογόνου για να σχηματίσει ένα μόριο μεθανίου CH 4), οξυγόνο - 2, υδρογόνο - 1. Με βάση εμπειρικές έννοιες που βασίζονται σε πειραματικά δεδομένα, έγιναν υποθέσεις σχετικά με τα άτομα χωρικής διάταξης στα μόρια (για παράδειγμα, ένα μόριο μεθανίου έχει τετραεδρική δομή, με το άτομο άνθρακα να βρίσκεται στο κέντρο τριγωνική πυραμίδακαι το υδρογόνο βρίσκεται στις τέσσερις κορυφές του). Ωστόσο, αυτή η προσέγγιση δεν μας επέτρεψε να αποκαλύψουμε τον μηχανισμό σχηματισμού χημικούς δεσμούς, που σημαίνει εκτίμηση των μεγεθών των μορίων και προσδιορισμό της ακριβούς απόστασης μεταξύ των ατόμων.
Χρησιμοποιώντας φασματοσκοπικές μεθόδους που αναπτύχθηκαν τον 20ο αιώνα, προσδιορίστηκε η δομή των μορίων του νερού (H 2 O ), του αιθανίου ( C 2 H 6 ) και στη συνέχεια πολύ πιο πολύπλοκων μορίων όπως οι πρωτεΐνες. Μέθοδοι φασματοσκοπίας μικροκυμάτων (EPR, NMR) και περίθλασης ηλεκτρονίων κατέστησαν δυνατό τον προσδιορισμό των μηκών των δεσμών, των γωνιών μεταξύ τους (γωνίες δεσμού) και σχετική θέσηάτομα σε απλά μόρια, και Ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ– παρόμοιες παράμετροι για μεγαλύτερα μόρια που σχηματίζουν μοριακούς κρυστάλλους. Καταλογογράφηση μοριακές δομέςκαι η χρήση απλών εννοιών του σθένους έθεσε τα θεμέλια της δομικής χημείας (ο πρωτοπόρος της ήταν ο L. Pauling) και κατέστησε δυνατή τη χρήση μοριακά μοντέλανα εξηγήσει σύνθετα φαινόμενα σε μοριακό επίπεδο. Εάν τα μόρια δεν είχαν συγκεκριμένη δομή ή αν οι παράμετροι των δεσμών C-C και C-H στα χρωμοσώματα ήταν πολύ διαφορετικές από εκείνες στα μόρια μεθανίου ή αιθανίου, τότε χρησιμοποιώντας απλά γεωμετρικά μοντέλα, οι J. Watson και F. Crick θα δεν ήταν σε θέση να κατασκευάσει στις αρχές της δεκαετίας του 1950 τη διάσημη διπλή έλικα του - ένα μοντέλο δεοξυριβονουκλεϊκού οξέος (DNA). Μελετώντας τις δονήσεις των ατόμων στα μόρια χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία IR και UV, κατέστη δυνατό να προσδιοριστεί η φύση των δυνάμεων που συγκρατούν τα άτομα στη σύνθεση των μορίων, η οποία, με τη σειρά της, πρότεινε την παρουσία ενδομοριακής κίνησης και κατέστησε δυνατή τη μελέτη οι θερμοδυναμικές ιδιότητες των μορίων ( δείτε παραπάνω). Αυτό ήταν το πρώτο βήμα προς τον προσδιορισμό των ρυθμών των χημικών αντιδράσεων. Περαιτέρω, οι φασματοσκοπικές μελέτες στην περιοχή της υπεριώδους ακτινοβολίας βοήθησαν στη δημιουργία του μηχανισμού σχηματισμού χημικών δεσμών σε ηλεκτρονικό επίπεδο, ο οποίος κατέστησε δυνατή την περιγραφή χημικών αντιδράσεων με βάση την έννοια της μετάβασης των αντιδραστηρίων σε μια διεγερμένη κατάσταση (συχνά υπό την επίδραση ορατού ή υπεριώδες φως). Ακόμη και ένα ολόκληρο επιστημονικό πεδίο προέκυψε - η φωτοχημεία. Η φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR) επέτρεψε στους χημικούς να μελετήσουν μεμονωμένα στάδια πολύπλοκων χημικών διεργασιών και να εντοπίσουν ενεργές θέσεις σε μόρια ενζύμων. Αυτή η μέθοδος κατέστησε επίσης δυνατή τη λήψη τρισδιάστατων εικόνων άθικτων κυττάρων και μεμονωμένων οργάνων.
ΦΩΤΟΧΗΜΕΙΑ.
Θεωρία σθένους. Χρησιμοποιώντας τους εμπειρικούς κανόνες για το σθένος που αναπτύχθηκαν από οργανικούς χημικούς,περιοδικός πίνακας στοιχεία καιπλανητικό μοντέλο Το άτομο του Rutherford, G. Lewis διαπίστωσε ότι το κλειδί για την κατανόηση ενός χημικού δεσμού είναι η ηλεκτρονική δομή μιας ουσίας. Ο Lewis κατέληξε στο συμπέρασμα ότι ένας ομοιοπολικός δεσμός σχηματίζεται ως αποτέλεσμα της κοινής χρήσης ηλεκτρονίων που ανήκουν σε διαφορετικά άτομα. Ταυτόχρονα, προχώρησε από την ιδέα ότι τα συνδετικά ηλεκτρόνια βρίσκονται σε αυστηρά καθορισμένα κελύφη ηλεκτρονίων. Η κβαντική θεωρία καθιστά δυνατή την πρόβλεψη της δομής των μορίων και της φύσης του σχηματισμούομοιοπολικούς δεσμούς
στη γενικότερη περίπτωση. Οι ιδέες μας για τη δομή της ύλης, σχηματίστηκαν χάρη σε επιτυχίεςκβαντική φυσική στο πρώτο τέταρτο του 20ου αιώνα, μπορούν να συνοψιστούν συνοπτικά ως εξής. Η δομή ενός ατόμου καθορίζεται από την ισορροπία των ηλεκτρικών δυνάμεων απώθησης (μεταξύ ηλεκτρονίων) και έλξης (μεταξύ ηλεκτρονίων και θετικά φορτισμένου πυρήνα). Σχεδόν όλη η μάζα ενός ατόμου συγκεντρώνεται στον πυρήνα και το μέγεθός του καθορίζεται από την ποσότητα του χώρου που καταλαμβάνουν τα ηλεκτρόνια που περιφέρονται γύρω από τους πυρήνες. Τα μόρια αποτελούνται από σχετικά σταθερούς πυρήνες που συγκρατούνται μαζί από ταχέως κινούμενα ηλεκτρόνια, έτσι ώστε όλες οι χημικές ιδιότητες των ουσιών να μπορούν να εξηγηθούν με όρους ηλεκτρικής αλληλεπίδρασηςστοιχειώδη σωματίδια
Με την εμφάνιση των υπολογιστών υψηλής ταχύτητας, κατέστη δυνατός ο υπολογισμός (με χαμηλή, αλλά επαρκής ακρίβεια) των δυνάμεων που δρουν μεταξύ των ατόμων σε μικρά πολυατομικά μόρια. Η θεωρία σθένους, που βασίζεται σε μοντελοποίηση υπολογιστή, είναι επί του παρόντος ένα εργαλείο εργασίας για τη μελέτη των δομών, της φύσης των χημικών δυνάμεων και των αντιδράσεων σε περιπτώσεις όπου η διεξαγωγή πειραμάτων είναι δύσκολη ή χρονοβόρα. Αυτό αναφέρεται στη μελέτη των ελεύθερων ριζών που υπάρχουν στην ατμόσφαιρα και στις φλόγες ή σχηματίζονται ως ενδιάμεσα αντίδρασης. Υπάρχει ελπίδα ότι κάποια μέρα μια θεωρία που βασίζεται σε υπολογισμούς υπολογιστών θα μπορέσει να απαντήσει στο ερώτημα: πώς σε χρόνο της τάξης των picoseconds χημικές δομές«υπολογίστε» την πιο σταθερή κατάστασή τους, ενώ η λήψη των αντίστοιχων εκτιμήσεων τουλάχιστον σε κάποια προσέγγιση απαιτεί τεράστιο χρόνο στον υπολογιστή.
Χημική κινητική
μελετά τον μηχανισμό των χημικών αντιδράσεων και καθορίζει τους ρυθμούς τους. Σε μακροσκοπικό επίπεδο, μια αντίδραση μπορεί να αναπαρασταθεί με τη μορφή διαδοχικών μετασχηματισμών, κατά τους οποίους σχηματίζονται άλλες από μια ουσία. Για παράδειγμα, η φαινομενικά απλή μεταμόρφωση
H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O
στην πραγματικότητα αποτελείται από πολλά διαδοχικά στάδια:
H + O 2 → OH + O
O + H 2 → HO + H
H + O 2 → HO 2
HO 2 + H 2 → H 2 O + OH
και καθένα από αυτά χαρακτηρίζεται από τη δική του σταθερά ρυθμού κ. Ο S. Arrhenius πρότεινε ότι η απόλυτη θερμοκρασία Τκαι σταθερά ταχύτητα αντίδρασης κπου σχετίζονται με τη σχέση κ = ΕΝΑ exp(- μιπράξη)/ RT, Πού ΕΝΑ– προεκθετικός παράγοντας (ο λεγόμενος συντελεστής συχνότητας), μιπράξη – ενέργεια ενεργοποίησης, R– σταθερά αερίου. Να μετρήσω κΚαι ΤΧρειαζόμαστε όργανα που μας επιτρέπουν να παρακολουθούμε γεγονότα που συμβαίνουν σε μια περίοδο περίπου 10–13 δευτερολέπτων, αφενός, και σε δεκαετίες (και ακόμη και χιλιετίες) από την άλλη (γεωλογικές διεργασίες). Είναι επίσης απαραίτητο να μπορούμε να μετράμε ελάχιστες συγκεντρώσεις εξαιρετικά ασταθών αντιδραστηρίων. Το καθήκον της χημικής κινητικής περιλαμβάνει επίσης την πρόβλεψη χημικών διεργασιών που συμβαίνουν σε πολύπλοκα συστήματα(μιλάμε για βιολογικές, γεωλογικές, ατμοσφαιρικές διεργασίες, καύση και χημική σύνθεση).
Για τη μελέτη των αντιδράσεων αέριας φάσης «στην καθαρή τους μορφή», χρησιμοποιείται η μέθοδος της μοριακής δέσμης. Σε αυτή την περίπτωση, μόρια με αυστηρά καθορισμένες κβαντικές καταστάσεις αντιδρούν για να σχηματίσουν προϊόντα που βρίσκονται επίσης σε ορισμένες κβαντικές καταστάσεις. Τέτοια πειράματα παρέχουν πληροφορίες για τις δυνάμεις που καθορίζουν την εμφάνιση ορισμένων αντιδράσεων. Για παράδειγμα, σε μια διάταξη μοριακής δέσμης, μπορείτε να προσανατολίσετε ακόμη και μικρά μόρια όπως το CH 3 I με συγκεκριμένο τρόπο και να μετρήσετε τους ρυθμούς σύγκρουσης σε δύο «διαφορετικές» αντιδράσεις:
K + ICH 3 → KI + CH 3
K + CH 3 I → KI + CH 3
όπου η ομάδα CH 3 προσανατολίζεται διαφορετικά σε σχέση με το άτομο καλίου που πλησιάζει.
Ένα από τα ερωτήματα που έχει η φυσική χημεία (και επίσης χημική φυσική), – υπολογισμός σταθερών ρυθμού αντίδρασης. Η θεωρία της μεταβατικής κατάστασης, που αναπτύχθηκε τη δεκαετία του 1930, η οποία χρησιμοποιεί θερμοδυναμικές και δομικές παραμέτρους, χρησιμοποιείται ευρέως εδώ. Αυτή η θεωρία, σε συνδυασμό με τις μεθόδους της κλασικής φυσικής και της κβαντικής μηχανικής, καθιστά δυνατή την προσομοίωση της πορείας μιας αντίδρασης σαν να συνέβαινε υπό τις συνθήκες ενός πειράματος με μοριακές δέσμες. Διεξάγονται πειράματα σχετικά με τη διέγερση με λέιζερ ορισμένων χημικών δεσμών, τα οποία καθιστούν δυνατή την επαλήθευση της ορθότητας των στατιστικών θεωριών για την καταστροφή των μορίων. Αναπτύσσονται θεωρίες που γενικεύουν τις σύγχρονες φυσικές και μαθηματικές έννοιες χαοτικών διεργασιών (για παράδειγμα, αναταράξεις). Δεν είμαστε πλέον τόσο μακριά από την πλήρη κατανόηση της φύσης των ενδο- και των διαμοριακών αλληλεπιδράσεων, την αποκάλυψη του μηχανισμού των αντιδράσεων που συμβαίνουν σε επιφάνειες με δεδομένες ιδιότητες και τη δημιουργία της δομής των καταλυτικών κέντρων των ενζύμων και των συμπλεγμάτων μετάλλων μετάπτωσης. Σε μικροσκοπικό επίπεδο, μπορεί να σημειωθεί εργασία σχετικά με την κινητική του σχηματισμού πολύπλοκων δομών όπως οι νιφάδες χιονιού ή οι δενδρίτες (κρύσταλλοι με δομή που μοιάζει με δέντρο), η οποία προκάλεσε την ανάπτυξη μοντελοποίησης υπολογιστή με βάση απλά μοντέλα της θεωρίας της μη γραμμικής δυναμικής ; Αυτό ανοίγει προοπτικές για τη δημιουργία νέων προσεγγίσεων για την περιγραφή της δομής και των διαδικασιών ανάπτυξης πολύπλοκων συστημάτων.
Η ταξινόμηση των επιστημών βασίζεται στην ταξινόμηση των μορφών κίνησης της ύλης και των σχέσεων και των διαφορών τους. Επομένως, για να σκιαγραφηθούν τα όρια της φυσικής χημείας με έναν αριθμό κλάδων της φυσικής και της χημείας, θα πρέπει κανείς να εξετάσει τη σύνδεση και τη διαφορά μεταξύ των χημικών και φυσικών μορφών κίνησης.
Για τη χημική μορφή κίνησης, δηλ. για χημική διαδικασία, που χαρακτηρίζεται από αλλαγή του αριθμού και της διάταξης των ατόμων στο μόριο των ουσιών που αντιδρούν. Ανάμεσα σε πολλά φυσικές μορφές κίνησης (ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, κίνηση και μετασχηματισμοί στοιχειωδών σωματιδίων, φυσική ατομικών πυρήνων κ.λπ.) έχει ιδιαίτερα στενή σχέση με χημικές διεργασίες ενδομοριακή μορφή κίνησης (δονήσεις σε ένα μόριο, ηλεκτρονική διέγερση και ιονισμός του). Η απλούστερη χημική διαδικασία - η στοιχειώδης πράξη της θερμικής διάστασης ενός μορίου - συμβαίνει με αύξηση της έντασης (πλάτους και ενέργειας) των δονήσεων στο μόριο, ειδικά των δονήσεων των πυρήνων κατά μήκος του δεσμού σθένους μεταξύ τους. Η επίτευξη μιας γνωστής κρίσιμης τιμής της ενέργειας δόνησης προς την κατεύθυνση ενός συγκεκριμένου δεσμού σε ένα μόριο οδηγεί στη ρήξη αυτού του δεσμού και στη διάσπαση του μορίου σε δύο μέρη.
Πιο πολύπλοκες αντιδράσεις που περιλαμβάνουν πολλά (συνήθως δύο) μόρια μπορούν να θεωρηθούν ως ο συνδυασμός δύο μορίων κατά τη σύγκρουσή τους σε ένα εύθραυστο και βραχύβιο σύμπλοκο (το λεγόμενο ενεργό σύμπλεγμα) και η ταχεία καταστροφή αυτού του συμπλέγματος σε νέα μόρια, καθώς αυτό το σύμπλεγμα αποδεικνύεται ασταθές κατά τη διάρκεια των εσωτερικών δονήσεων μέσω ορισμένων συνδέσεων.
Έτσι, μια στοιχειώδης χημική πράξη είναι ένα ειδικό, κρίσιμο σημείο στη δονητική κίνηση των μορίων. Το τελευταίο από μόνο του δεν μπορεί να θεωρηθεί χημική κίνηση, αλλά αποτελεί τη βάση για πρωτογενείς χημικές διεργασίες.
Για τον χημικό μετασχηματισμό σημαντικών μαζών ύλης, δηλαδή πολλών μορίων, είναι απαραίτητες οι συγκρούσεις μορίων και η ανταλλαγή ενεργειών μεταξύ τους (μεταφορά ενέργειας κίνησης μορίων προϊόντων αντίδρασης σε μόρια αρχικών ουσιών μέσω συγκρούσεων). Έτσι, η πραγματική χημική διαδικασία σχετίζεται στενά με τη δεύτερη φυσική μορφή κίνησης - χαοτική κίνηση μορίων μακροσκοπικών σωμάτων, η οποία συχνά ονομάζεται θερμική κίνηση.
Οι αμοιβαίες σχέσεις της χημικής μορφής κίνησης με δύο φυσικές μορφές κίνησης περιγράφονται παραπάνω συνοπτικά και με τους πιο γενικούς όρους. Προφανώς, υπάρχουν οι ίδιες συνδέσεις μεταξύ της χημικής διαδικασίας και της ακτινοβολίας της κίνησης ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, με ιονισμό ατόμων και μορίων (ηλεκτροχημεία) κ.λπ.
Δομή της ύλης . Αυτή η ενότητα περιλαμβάνει τη δομή των ατόμων, τη δομή των μορίων και τη μελέτη των καταστάσεων συσσωμάτωσης.
Η μελέτη της δομής των ατόμων έχει να κάνει περισσότερο με τη φυσική παρά με τη φυσική χημεία. Αυτό το δόγμα είναι η βάση για τη μελέτη της δομής των μορίων.
Η μελέτη της δομής των μορίων εξετάζει τη γεωμετρία των μορίων, τις ενδομοριακές κινήσεις και τις δυνάμεις που δεσμεύουν τα άτομα σε ένα μόριο. Σε πειραματικές μελέτες της δομής των μορίων, η μέθοδος της μοριακής φασματοσκοπίας (συμπεριλαμβανομένης της ραδιοφασματοσκοπίας) χρησιμοποιείται ευρέως και ηλεκτρικές, ραδιογραφικές, μαγνητικές και άλλες μέθοδοι.
Η μελέτη των καταστάσεων συσσωμάτωσης εξετάζει τις αλληλεπιδράσεις των μορίων σε αέρια, υγρά και κρυστάλλους, καθώς και τις ιδιότητες των ουσιών σε διάφορες καταστάσεις συσσωμάτωσης. Αυτός ο κλάδος της επιστήμης, που είναι πολύ σημαντικός για τη φυσική χημεία, μπορεί να θεωρηθεί μέρος της φυσικής (μοριακή φυσική).
Ολόκληρη η ενότητα για τη δομή της ύλης μπορεί επίσης να θεωρηθεί μέρος της φυσικής.
Χημική θερμοδυναμική . Σε αυτή την ενότητα, με βάση τους νόμους της γενικής θερμοδυναμικής, παρουσιάζονται οι νόμοι της χημικής ισορροπίας και το δόγμα της ισορροπίας φάσης, που συνήθως ονομάζεται κανόνας φάσης. Μέρος της χημικής θερμοδυναμικής είναι θερμοχημεία,που ασχολείται με τις θερμικές επιδράσεις των χημικών αντιδράσεων.
Η μελέτη των διαλυμάτων έχει ως στόχο να εξηγήσει και να προβλέψει τις ιδιότητες των διαλυμάτων (ομογενή μείγματα πολλών ουσιών) με βάση τις ιδιότητες των ουσιών που συνθέτουν το διάλυμα.
Η λύση σε αυτό το πρόβλημα απαιτεί την κατασκευή μιας γενικής θεωρίας της αλληλεπίδρασης ανόμοιων μορίων, δηλαδή τη λύση στο κύριο πρόβλημα της μοριακής φυσικής. Για να αναπτυχθεί μια γενική θεωρία και συγκεκριμένες γενικεύσεις, μελετάται η μοριακή δομή των διαλυμάτων και οι διάφορες ιδιότητές τους ανάλογα με τη σύσταση.
Το δόγμα των επιφανειακών φαινομένων . Μελετώνται διάφορες ιδιότητες επιφανειακών στρωμάτων στερεάκαι υγρά (διεπαφές μεταξύ φάσεων). ένα από τα κύρια φαινόμενα που μελετώνται στα επιφανειακά στρώματα είναι προσρόφηση(συσσώρευση ουσιών στο επιφανειακό στρώμα).
Σε συστήματα όπου οι διεπαφές μεταξύ υγρών, στερεών και αέριων φάσεων είναι πολύ ανεπτυγμένες (κολλοειδή διαλύματα, γαλακτώματα, νέφη, αναθυμιάσεις), οι ιδιότητες των επιφανειακών στρωμάτων αποκτούν πρωταρχική σημασία και καθορίζουν πολλές από τις μοναδικές ιδιότητες ολόκληρου του συστήματος στο σύνολό του. . Τέτοιος μικροετερογενήςμελετώνται συστήματα κολλοειδή χημεία,που είναι ένα μεγάλο ανεξάρτητο τμήμα της φυσικής χημείας και ένας ανεξάρτητος ακαδημαϊκός κλάδος σε χημικά ανώτατα εκπαιδευτικά ιδρύματα.
Ηλεκτροχημεία. Μελετάται η αλληλεπίδραση ηλεκτρικών φαινομένων και χημικών αντιδράσεων (ηλεκτρόλυση, χημικές πηγές ηλεκτρικού ρεύματος, θεωρία ηλεκτροσύνθεσης). Η Ηλεκτροχημεία περιλαμβάνει συνήθως τη μελέτη των ιδιοτήτων των διαλυμάτων ηλεκτρολυτών, η οποία μπορεί εξίσου δικαίως να αποδοθεί στη μελέτη των διαλυμάτων.
Χημική κινητική και κατάλυση . Μελετάται ο ρυθμός των χημικών αντιδράσεων, η εξάρτηση του ρυθμού αντίδρασης από τις εξωτερικές συνθήκες (πίεση, θερμοκρασία, ηλεκτρική εκκένωση κ.λπ.), η σχέση του ρυθμού αντίδρασης με τη δομή και τις ενεργειακές καταστάσεις των μορίων, η επίδραση στον ρυθμό αντίδρασης των ουσιών που δεν συμμετέχουν στη στοιχειομετρική εξίσωση αντίδρασης (κατάλυση).
Φωτοχημεία. Μελετάται η αλληλεπίδραση ακτινοβολίας και ουσιών που εμπλέκονται σε χημικούς μετασχηματισμούς (αντιδράσεις που συμβαίνουν υπό την επίδραση της ακτινοβολίας, για παράδειγμα, φωτογραφικές διεργασίες και φωτοσύνθεση, φωταύγεια). Η φωτοχημεία σχετίζεται στενά με τη χημική κινητική και τη μελέτη της δομής των μορίων.
Ο παραπάνω κατάλογος των κύριων τμημάτων της φυσικής χημείας δεν καλύπτει ορισμένες περιοχές που εμφανίστηκαν πρόσφατα και μικρότερες ενότητες αυτής της επιστήμης, οι οποίες μπορούν να θεωρηθούν ως τμήματα μεγαλύτερων τμημάτων ή ως ανεξάρτητα τμήματα της φυσικής χημείας. Αυτά είναι, για παράδειγμα, η χημεία ακτινοβολίας, η φυσική χημεία ουσιών υψηλής μοριακής απόδοσης, η μαγνητοχημεία, η ηλεκτροχημεία αερίων και άλλοι κλάδοι της φυσικής χημείας. Η σημασία ορισμένων από αυτές αυξάνεται επί του παρόντος ραγδαία.
Μέθοδοι φυσικής και χημικής έρευνας
Οι βασικές μέθοδοι της φυσικής χημείας είναι, φυσικά, οι μέθοδοι της φυσικής και της χημείας. Αυτή είναι, πρώτα απ 'όλα, μια πειραματική μέθοδος - η μελέτη της εξάρτησης των ιδιοτήτων των ουσιών από τις εξωτερικές συνθήκες και η πειραματική μελέτη των νόμων της εμφάνισης χημικών αντιδράσεων με την πάροδο του χρόνου και των νόμων της χημικής ισορροπίας.
Η θεωρητική κατανόηση του πειραματικού υλικού και η δημιουργία ενός συνεκτικού συστήματος γνώσης των ιδιοτήτων των ουσιών και των νόμων των χημικών αντιδράσεων βασίζεται στις ακόλουθες μεθόδους της θεωρητικής φυσικής.
Κβαντομηχανική μέθοδος (ιδιαίτερα, η μέθοδος της κυματομηχανικής), η οποία βασίζεται στο δόγμα της δομής και των ιδιοτήτων μεμονωμένων ατόμων και μορίων και της αλληλεπίδρασής τους μεταξύ τους. Γεγονότα που σχετίζονται με τις ιδιότητες μεμονωμένων μορίων λαμβάνονται κυρίως με πειραματικές οπτικές μεθόδους.
Μέθοδος στατιστικής φυσικής , που καθιστά δυνατό τον υπολογισμό των ιδιοτήτων μιας ουσίας. που αποτελείται από πολλά μόρια («μακροσκοπικές» ιδιότητες), με βάση πληροφορίες για τις ιδιότητες μεμονωμένων μορίων.
Θερμοδυναμική μέθοδος , που καθιστά δυνατή την ποσοτική συσχέτιση διαφόρων ιδιοτήτων μιας ουσίας («μακροσκοπικές» ιδιότητες) και τον υπολογισμό ορισμένων από αυτές τις ιδιότητες με βάση τις πειραματικές τιμές άλλων ιδιοτήτων.
Η σύγχρονη φυσική και χημική έρευνα σε οποιοδήποτε συγκεκριμένο τομέα χαρακτηρίζεται από τη χρήση ποικίλων πειραματικών και θεωρητικών μεθόδων για τη μελέτη των διαφόρων ιδιοτήτων των ουσιών και τη διαλεύκανση της σχέσης τους με τη δομή των μορίων. Ολόκληρο το σύνολο δεδομένων και οι παραπάνω θεωρητικές μέθοδοι χρησιμοποιούνται για την επίτευξη του κύριου στόχου - να διευκρινιστεί η εξάρτηση της κατεύθυνσης, της ταχύτητας και των ορίων των χημικών μετασχηματισμών από τις εξωτερικές συνθήκες και τη δομή των μορίων που συμμετέχουν στις χημικές αντιδράσεις.
1. Φυσικοχημεία: σκοπός, στόχοι, μέθοδοι έρευνας. Βασικές έννοιες της φυσικής χημείας.
Phys. χημεία - η επιστήμη των νόμων των χημικών διεργασιών και της χημείας. πρωτοφανής.
Θέμα φυσικής χημείας εξήγηση χημείας. φαινόμενα που βασίζονται σε γενικότερους νόμους της φυσικής. Η Φυσικοχημεία εξετάζει δύο κύριες ομάδες ερωτήσεων:
1. Μελέτη της δομής και των ιδιοτήτων της ύλης και των συστατικών της σωματιδίων.
2. Μελέτη των διαδικασιών αλληλεπίδρασης ουσιών.
Η Φυσικοχημεία στοχεύει στη μελέτη των συνδέσεων μεταξύ χημικών και φυσικών φαινομένων. Η γνώση τέτοιων συνδέσεων είναι απαραίτητη προκειμένου να μελετηθούν σε βάθος οι χημικές αντιδράσεις που συμβαίνουν στη φύση και χρησιμοποιούνται στην τεχνολογία. διεργασιών, ελέγχουν το βάθος και την κατεύθυνση της αντίδρασης. Ο κύριος στόχος του κλάδου Φυσικοχημεία είναι η μελέτη των γενικών συνδέσεων και των νόμων της χημείας. διαδικασίες που βασίζονται σε θεμελιώδεις αρχές της φυσικής. Η φυσική χημεία χρησιμοποιεί τη φυσική. θεωρίες και μέθοδοι για χημικά φαινόμενα.
Εξηγεί ΓΙΑΤΙ και ΠΩΣ συμβαίνουν οι μετασχηματισμοί των ουσιών: χημεία. αντιδράσεις και μεταβάσεις φάσης.
ΓΙΑΤΙ – χημική θερμοδυναμική. ΠΩΣ - χημική κινητική.
Βασικές έννοιες της φυσικής χημείας Το κύριο αντικείμενο της χημείας. Η θερμοδυναμική είναι ένα θερμοδυναμικό σύστημα. Θερμοδυναμικός σύστημα – κάθε σώμα ή σύνολο σωμάτων ικανά να ανταλλάσσουν ενέργεια και ύλη με τον εαυτό τους και με άλλα σώματα. Τα συστήματα χωρίζονται σε ανοιχτά, κλειστά και μεμονωμένα. Ανοιχτό - ω θερμοδυναμικό σύστημα ανταλλάσσει μεεξωτερικό περιβάλλον και in-vom και ενέργεια. Ανοιχτό Κλειστό - ένα σύστημα στο οποίο δεν υπάρχει ανταλλαγή ουσιών μεπεριβάλλο , αλλά μπορεί να ανταλλάξει ενέργεια μαζί της. Ανοιχτό Απομονωμένος
-Ο όγκος του συστήματος παραμένει σταθερός και στερείται της δυνατότητας ανταλλαγής ενέργειας και ύλης με το περιβάλλον. Το σύστημα μπορεί να είναι ). ομοιογενής (ομογενής) ή ετερογενής (ετερογενής) Φάση - αυτό είναι μέρος του συστήματος, το οποίο ελλείψειεξωτερικό πεδίο
οι δυνάμεις έχουν την ίδια σύνθεση σε όλα τα σημεία και την ίδια θερμοδυναμική. St. you και διαχωρίζεται από άλλα μέρη του συστήματος με μια διεπαφή. Η φάση είναι πάντα ομοιόμορφη, δηλ. ομοιογενές, επομένως ένα μονοφασικό σύστημα ονομάζεται ομοιογενές. Ένα σύστημα που αποτελείται από πολλές φάσεις ονομάζεται ετερογενές.
Οι ιδιότητες του συστήματος χωρίζονται σε δύο ομάδες: εκτεταμένη και εντατική. Η Θερμοδυναμική χρησιμοποιεί τις έννοιες της ισορροπίας και των αναστρέψιμων διεργασιών. Ισορροπία είναι μια διαδικασία που διέρχεται από μια συνεχή σειρά καταστάσεων ισορροπίας. Αναστρέψιμη θερμοδυναμική διαδικασίαείναι μια διαδικασία που μπορεί να πραγματοποιηθεί σε
αντίστροφη κατεύθυνση
χωρίς να αφήνονται αλλαγές στο σύστημα και στο περιβάλλον.σχετίζεται άμεσα με το νόμο της διατήρησης της ενέργειας.
Βάσει αυτού του νόμου, προκύπτει ότι σε οποιοδήποτε απομονωμένο σύστημα η παροχή ενέργειας παραμένει σταθερή. Από το νόμο της διατήρησης της ενέργειας ακολουθεί μια άλλη διατύπωση του πρώτου νόμου της θερμοδυναμικής - η αδυναμία δημιουργίας μιας μηχανής αέναης κίνησης (perpetuum mobile) πρώτου είδους, η οποία θα παράγει έργο χωρίς να ξοδεύει ενέργεια σε αυτήν. Ένα ιδιαίτερα σημαντικό σκεύασμα για τη χημική θερμοδυναμική Η πρώτη αρχή είναι να το εκφράσουμε μέσω της έννοιας της εσωτερικής ενέργειας:εσωτερική ενέργεια είναικρατική λειτουργία , δηλ. Η αλλαγή του δεν εξαρτάται από την πορεία της διαδικασίας, αλλά εξαρτάται μόνο από την αρχική και τελική κατάσταση του συστήματος. Μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας του συστήματος U μπορεί να συμβεί λόγω ανταλλαγής θερμότητας Q και δουλειά W με το περιβάλλον. Τότε από τον νόμο διατήρησης της ενέργειας προκύπτει ότι η θερμότητα Q που λαμβάνει το σύστημα από έξω ξοδεύεται στην αύξηση της εσωτερικής ενέργειας ΔU και του έργου W που εκτελεί το σύστημα, δηλ.Δ Q =. U+W Δεδομένοςστο
ευθυγράμμιση είναι
μαθηματική έκφραση του πρώτου νόμου της θερμοδυναμικής.εγώαρχή της θερμοδυναμικής
η διατύπωσή του:
Σε οποιοδήποτε απομονωμένο σύστημα η παροχή ενέργειας παραμένει σταθερή.
διαφορετικές μορφές ενέργειας μετατρέπονται μεταξύ τους σε αυστηρά ισοδύναμες ποσότητες.μηχανή αέναης κίνησης ( perpetuumκινητός
) του πρώτου είδους είναι αδύνατο..
η εσωτερική ενέργεια είναι συνάρτηση κατάστασης, δηλ. Η αλλαγή του δεν εξαρτάται από την πορεία της διαδικασίας, αλλά εξαρτάται μόνο από την αρχική και τελική κατάσταση του συστήματος μπορεί να συμβεί λόγω ανταλλαγής θερμότητας = αναλυτική έκφραση: , δηλ. Η αλλαγή του δεν εξαρτάται από την πορεία της διαδικασίας, αλλά εξαρτάται μόνο από την αρχική και τελική κατάσταση του συστήματος. Μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας του συστήματος + και δουλειά ρε ; για μια απειροελάχιστη μεταβολή των ποσοτήτων μπορεί να συμβεί λόγω ανταλλαγής θερμότητας = ρε + ; για μια απειροελάχιστη μεταβολή των ποσοτήτων και δουλειά .
dU
Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής καθιερώνει τη σχέση.
m / y θερμότητα Q, εργασία Α και αλλαγή στο εσωτερικό. ενέργεια του συστήματος ΔU. Αλλαγή εσωτερικού η ενέργεια του συστήματος είναι ίση με την ποσότητα θερμότητας που μεταδίδεται στο σύστημα μείον την ποσότητα εργασίας που γίνεται από το σύστημα έναντι των εξωτερικών δυνάμεων.
Η εξίσωση (I.1) είναι μια μαθηματική αναπαράσταση του 1ου νόμου της θερμοδυναμικής, η εξίσωση (I.2) είναι για μια απειροελάχιστη αλλαγή κατάστασης. συστήματα. Int. Η ενέργεια είναι συνάρτηση κατάστασης. αυτό σημαίνει ότι η αλλαγή είναι εσωτερική. ενέργεια ΔU δεν εξαρτάται από τη διαδρομή μετάβασης του συστήματος από την κατάσταση 1 στην κατάσταση 2 και ισούται με τη διαφορά στις εσωτερικές τιμές. ενέργειες U2 και U1 σε αυτές τις καταστάσεις: (I.3) μάζα συστήματος, αφού αποτελεί εκτεταμένη ιδιότητα του συστήματος. Int. Η ενέργεια συμβολίζεται με το γράμμα U και εκφράζεται σε τζάουλ (J). Γενικά για σύστημα με ποσότητα 1 mole. Int. ενέργειας, όπως κάθε θερμοδυναμική. Η ιερότητα του συστήματος είναι συνάρτηση του κράτους. Μόνο εσωτερικές αλλαγές εμφανίζονται απευθείας στο πείραμα. ενέργεια. Γι' αυτό στους υπολογισμούς λειτουργούν πάντα με τη μεταβολή του U2 –U1 = U.
Όλες οι εσωτερικές αλλαγές οι ενέργειες χωρίζονται σε δύο ομάδες. Η 1η ομάδα περιλαμβάνει μόνο την 1η μορφή μετάβασης της κίνησης μέσω χαοτικών συγκρούσεων μορίων δύο σωμάτων που έρχονται σε επαφή, δηλ. με θερμική αγωγιμότητα (και ταυτόχρονα με ακτινοβολία). Το μέτρο της κίνησης που μεταδίδεται με αυτόν τον τρόπο είναι η θερμότητα. Εννοιαζεστασιά συνδέεται με τη συμπεριφορά ενός τεράστιου αριθμού σωματιδίων - ατόμων, μορίων, ιόντων. Βρίσκονται σε συνεχή χαοτική (θερμική) κίνηση. Η θερμότητα είναι μια μορφή μεταφοράς ενέργειας. Ο δεύτερος τρόπος ανταλλαγής ενέργειας είναιΔουλειά. και δουλειάΑυτή η ανταλλαγή ενέργειας προκαλείται από μια ενέργεια που εκτελείται από το σύστημα ή μια ενέργεια που εκτελείται σε αυτό. Συνήθως το έργο υποδεικνύεται με το σύμβολο .Η εργασία, όπως και η θερμότητα, δεν είναι συνάρτηση της κατάστασης του συστήματος, επομένως η τιμή αντιστοιχεί στο άπειρο και δουλειά.
